鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2020年05月15日
星載開關電源可靠性設計
1引言
電子產(chǎn)品，特別是星載開關電源的設計是一個復雜系統(tǒng)工程，不但要考慮電源本身參數(shù)設計，還要考慮電氣設計、電磁兼容設計、安全性設計、熱設計等方面。因為任何方面哪怕是極微小的疏忽，都有可能導致整個星載電源甚至整顆衛(wèi)星的崩潰，所以星載電源產(chǎn)品可靠性設計極關重要。
2開關電源電氣可靠性設計
2.1電路拓撲的選擇
開關電源一般采用buck型、boost型、Cuk型、雙管正激型、雙管反激型、單端正激型、單端反激型、推挽型、半橋型、全橋型等十種拓撲。為防止開關管承受兩倍直流輸入電壓并考慮到降額使用，一般采用雙管正激型和半橋型電路。而推挽型和全橋型拓撲雖然也承受單倍直流輸入電壓，但可能出現(xiàn)單向偏磁飽和，使開關管損壞，故在高可靠性工程上一般選用雙管正激型和半橋型電路拓撲。
2.2控制方法的選擇
電流型pWM控制較電壓控制型有如下優(yōu)點：自動對稱校正、固有的電流限制、簡單的回路補償、紋波比電壓控制型小得多和良好的并聯(lián)工作能力。硬開關技術因開關損耗的限制，開關頻率一般在400kHz以下；軟開關技術利用諧振原理使開關器件在零電壓開通或零電
流關斷，實現(xiàn)開關損耗為零，從而可使開關頻率達到兆赫級水平。但是軟開關技術重要應用于大功率電源，中小功率電源中仍以pWM技術為主。
2.3元器件的選用
元器件直接決定了電源的可靠性，元器件的失效重要集中在以下四個方面：
（1）產(chǎn)品質(zhì)量
質(zhì)量問題造成的失效與工作應力無關。在衛(wèi)星工程應用時選用定點生產(chǎn)廠家的成熟產(chǎn)品，不允許使用沒有經(jīng)過認證的產(chǎn)品。
（2）元器件可靠性
元器件可靠性問題即基本失效率的問題，這是一種隨機性質(zhì)的失效，與質(zhì)量問題的差別是元器件的失效率取決于工作應力水平。應先對元器件進行應力篩選試驗，通過篩選可使元器件失效率降低1～2個數(shù)量級，當然篩選試驗代價(時間與費用)很大，但綜合各方面因素還是合算的，研制周期也不會延長。電源設備重要元器件的篩選試驗一般要求：①電阻在室溫下按技術條件進行100％測試，剔除不合格品。②普通電容器在室溫下按技術條件進行100％測試，剔除不合格品。③接插件按技術條件抽樣檢測各種參數(shù)。④半導體器件按以下程序進行篩選：目檢→初測→高溫貯存→高低溫沖擊→電功率老化→高溫測試→低溫測試→常溫測試
篩選結(jié)束后應計算剔除率QQ=(n/N)×100%式中：N——受試樣品總數(shù)；n——被剔除的樣品數(shù)；
假如Q超過標準規(guī)定的上限值，則本批元器件全部不準上機，并按有關規(guī)定處理。
在符合標準規(guī)按時，則將篩選合格的元器件打漆點標注，然后入專用庫房供裝機使用。
（3）設計
（i）元器件的選用：
①盡量選用硅半導體器件，少用或不用鍺半導體器件。②多采用集成電路，減少分立器件的數(shù)目。③開關管選用MOSFET能簡化驅(qū)動電路，減少損耗。④輸出整流管盡量采用具有軟恢復特性的二極管。⑤應選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件。⑥集成電路必須是一類品或者是符合MIL－M－38510、MIL－S－19500標準B－1以上質(zhì)量等級的特種。⑦設計時盡量少用繼電器，確有必要時應選用接觸良好的密封繼電器。⑧原則上不選用電位器，必須保留的應進行固封處理。⑨吸收電容器與開關管和輸出整流管的距離應當很近，因流過高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。由于受空間粒子轟擊時，電解質(zhì)會分解，所以鋁電解電容也不適用于航天電子設備的電源中。鉭電解電容溫度和頻率特性較好，耐高低溫，儲存時間長，性能穩(wěn)定可靠，但鉭電解電容較重、容積比低、不耐反壓、高壓品種(>125V)較少、價格昂貴。
（ii）降額設計：
電子元器件的基本失效率取決于工作應力(包括電、溫度、振動、沖擊、頻率、速度、碰撞等)。不同的元器件降額標準亦不同，實踐表明，大部分電子元器件的基本失效率取決于電應力和溫度，因而降額也重要是控制這兩種應力，以下為開關電源常用元器件的降額系數(shù)：①電阻的功率降額系數(shù)在0.1～0.5之間。②二極管的功率降額系數(shù)在0.4以下，反向耐壓在0.5以下。③發(fā)光二極管電壓降額系數(shù)在0.6以下，功率降額系數(shù)在0.6以下。④功率開關管電壓降額系數(shù)在0.6以下，電流降額系數(shù)在0.5以下。⑤普通鋁電解電容和無極性電容的電壓降額系數(shù)在0.3～0.7之間。⑥鉭電容的電壓降額系數(shù)在0.3以下。⑦電感和變壓器的電流降額系數(shù)在0.6以下。
（4）損耗
損耗引起的元器件失效取決于工作時間的長短，與工作應力無關。比如鋁電解電容長期在高頻下工作會使電解液逐漸損失，同時容量亦同步下降，當電解液損失40％時，容量下降20％。為防止發(fā)生故障，應在圖紙上標明鋁電解電容器更換的時間，到期強迫更換。
2.4保護電路的設置
為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應設置多種保護電路，如防浪涌沖擊、過壓、欠壓、過載、短路、過熱等保護電路。
3電磁兼容性(EMC)設計
開關電源因采用pWM技術，其脈沖波形呈矩形，上升沿與下降沿均包含大量的諧波成分，輸出整流管的反向恢復也會出現(xiàn)電磁干擾(EMI)，這是影響可靠性的不利因素，故電磁兼容性成為系統(tǒng)的重要問題。出現(xiàn)電磁干擾有三個途徑：干擾源、傳輸介質(zhì)、接收單元。EMC設計就是破壞這三個途徑中的一個。
關于開關電源而言，重要是抑制干擾源，干擾源集中在開關電路與輸出整流電路。采用的技術包括濾波技術、布局與布線技術、屏蔽技術、接地技術、密封技術等。EMI按傳播途徑分為傳導干擾和輻射干擾。傳導噪聲的頻率范圍很寬，從10kHz～30MHz，解決辦法之一是加裝電源EMI濾波器、輸出濾波器及吸收電路，參見圖1。電源EMI濾波器實際上是一種LC低通濾波器，它毫無衰減地把50Hz或400Hz交流電能傳遞給電子設備，卻大大衰減傳入的干擾信號，同時又能抑制設備本身出現(xiàn)的干擾信號，電源EMI濾波器最好安裝在機殼電源線進口的插座附近。輸出整流二極管的反向恢復也會引起電磁干擾，這種情況可以采用RC吸收電路來抑制電流的上升率，參見圖1，通常R在(2～20)Ω之間，C在1000pF～10nF之間，C應選用高頻瓷介電容。
良好的布局和布線技術也是控制噪聲的一個重要手段。為減少噪聲的發(fā)生和防止由噪聲導致的誤動作，應注意以下幾點：
①盡量縮小由高頻脈沖電流所包圍的面積。②緩沖電路盡量貼近開關管和輸出整流二極管。③脈沖電流流過的區(qū)域遠離輸入輸出端子，使噪聲源和出口分離。④控制電路和功率電路分開，采用單點接地方式，大面積接地容易引起天線效應，故不要采用大面積接地方式。⑤必要時可以將輸出濾波電感安置在地回路上。⑥采用多只低ESR（等效串聯(lián)電阻）的電容并聯(lián)濾波。⑦采用銅箔進行低感低阻配線。⑧相鄰印制線之間不應有過長的平行線，走線盡量防止平行，采用垂直交叉方式，線寬不要突變，也不要有直角拐彎。禁止環(huán)形走線。⑨濾波器的輸入和輸出線必須分開。禁止將開關電源的輸入線和輸出線捆扎在一起。
關于輻射干擾重要應用密封屏蔽技術，在結(jié)構(gòu)上實行電磁封閉，要求外殼各部分之間具有良好的電磁接觸，以保證電磁的持續(xù)性。目前衛(wèi)星電源產(chǎn)品大都采用鋁合金外殼，但鋁合金導磁性能差，外殼要鍍一層鎳或噴涂導電漆，內(nèi)壁貼覆高導磁率的屏蔽材料。外殼永久連接處用導電膠粘牢或采用持續(xù)焊縫結(jié)構(gòu)，需拆卸的可以用導電橡膠條壓緊來保證電磁持續(xù)性。導電材料要求導電性能高、有彈性、具有最小的寬厚比。
4安全性設計
就電源產(chǎn)品而言，必須進行安全性設計，對衛(wèi)星電源尤其如此。電源產(chǎn)品安全性設計的內(nèi)容重要是防止觸電和燒傷。關于商用設備市場，具有代表性的安全標準有UL、CSA、VDE、CCC等，內(nèi)容因用途而異，容許泄漏電流在0.5mA～5mA之間，我國特種標準GJB1412規(guī)定的泄漏電流小于5mA。電源設備對地泄漏電流的大小取決于EMI濾波器電容Cy的容量。從EMI濾波器角度出發(fā)電容Cy的容量越大越好，但從安全性角度出發(fā)電容Cy的容量越小越好，電容Cy的容量根據(jù)安全標準來決定。若電容Cy的安全性能欠佳，電網(wǎng)瞬態(tài)尖峰出現(xiàn)時可能被擊穿，它的擊穿雖然不危及人身安全，但會使濾波器喪失濾波功能。
為了防止誤觸電，插頭座原則上產(chǎn)品端(非電源端)為針，電網(wǎng)端(電源端)為孔；電源設備之輸入端為針，輸出端為孔。
為了防止燒傷，關于可能與人體接觸的暴露部件(散熱器、機殼等)，當環(huán)境溫度為25℃時，其最高溫度不應超過60℃，面板和手動調(diào)節(jié)部分的最高溫度不超過50℃。
5熱設計
除了電應力之外，溫度是影響設備可靠性最重要的因素。電源設備內(nèi)部的溫升將導致元器件的失效，當溫度超過一定值時，失效率將呈指數(shù)規(guī)律新增，溫度超過極限值時將導致元器件失效。國外統(tǒng)計資料表明電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10％；溫升50℃時的壽命只有溫升25℃時的1/6。這就要進行熱設計，熱設計的原則，一是減少發(fā)熱量，即選用更優(yōu)的控制方式和技術，如同步整流技術、移相控制技術等，另外就是選用低功耗的器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大加粗印制線的寬度，提高電源的效率。二是加強散熱，即利用傳導、對流、輻射原理將熱量轉(zhuǎn)移，包括采用散熱器、風冷(自然對流和強迫風冷)、液冷(水、油)、熱電致冷、熱管等方法。
強迫風冷的散熱量雖比自然冷卻大十倍以上，但是由于風機出現(xiàn)了噪聲和振動，故在一般情況下應盡量采用自然冷卻，星載電源不采用風冷、液冷之類的冷卻方式。在元器件布局時，應將發(fā)熱器件安放在下風位置或在印制板的上部，散熱器采用氧化發(fā)黑工藝處理，以提高輻射率，不允許用黑漆涂覆。散熱器安裝器件的平面要求光滑平整，一般在接觸面涂上硅脂以提高導熱率。變壓器和電感線圈應選用較粗的導線來抑制溫升。
6結(jié)語
以上建議只適用于星載電源，關于商用和工業(yè)用產(chǎn)品可以在某些方面作出不同的選擇。總之，電源設備可靠性的高低，不僅與電氣設計，而且同元器件、結(jié)構(gòu)、工藝、裝配、加工質(zhì)量等方面有關?？煽啃允且栽O計為基礎，在實際工程應用上，還應通過各種試驗取得反饋數(shù)據(jù)來完善設計，進一步提高電源的可靠性。
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